短相干光源偏振移相Fizeau干涉仪的实验研究

　　0 引 言

　　基于Fizeau 型式的移相干涉仪广泛用于光学元件的面形、平行度、折射率均匀性以及光学系统的波像差测量，通常都是采用PZT 实现移相，随着干涉仪的口径逐渐增大，特别口径大于600 mm 时，这种传统的机电式移相法已不再适应大口径干涉仪的发展需求，需要研究新的移相方式。除了变波长移相[1]外，偏振移相是目前大口径干涉仪一种很有效的 移相手段。Fizeau 型干涉仪是一种准共光路的干涉仪，因此和Twyman-Green 型分光路干涉仪相比，有诸多优点，比如结构简单，抗干扰能力强、只需要参考镜加工成高精度等，然而正因为参考光和测试光共光路，很难像分光路干涉仪那样， 分别改变两束光的偏振态，实现偏振式的Fizeau 干涉仪。Sanjib Chatterjee[2]提出了一种插入1/4 波片法，通过在Fizeau 干涉仪干涉腔中插入一个1/4 波片，测试光两次通过1/4 波片，左旋偏振光变成右旋偏振光，然后通过旋转偏振元件实现了Fizeau 干涉仪的偏振移相，该方法需要在干涉腔中插入一块和参考镜大小相当的1/4 波片，制造大口径的1/4 波片比较困难，而且需要消除波片本身精度对测试结果的影响。渥拉斯棱镜分光倾斜参考镜法[3,4]需要让参考镜倾斜一定的角度，破坏了Fizeau干涉仪 的共光路特性。Kimbrough[5]和Ai[6]等人曾利用短相干光源的干涉仪测量了平行平板面形。设计了一种新的光路并搭建了实验平台，以多纵模半 导体激光器作为光源，利用光源的相干性辅以一套偏振延迟系统，分出一对正交的参考光和测试光，通过巴比列-索列尔补偿器实现偏振移相，保持了Fizeau 干涉仪的共光路特性。

　　1 原 理

　　实验原理如图1 所示，波长为650 nm 的红光半导体激光器发出的线偏振光可以分为平行于纸面振动的p 光和垂直于纸面振动的s 光，经过偏振分光棱镜(PBS)时，s 光反射，p 光透射，因为p 光和S光两次通过光轴45°方向1/4 波片时，偏振方向旋转90°，所以经反射镜A 和反射镜B 反射后，原来反射的s 光变成p 光透过PBS，原来透射的p 光变成s 光在PBS 上反射。因此，从PBS 出射的是一对正交偏振光，反射镜固定在一个直线导轨上，可以改变p光、s 光的延迟量。图中反射镜B 和反射镜的镜像A’距离为ΔL，那么s 光滞后p 光2ΔL。空间滤波器、准直物镜构成扩束系统。p 光、s 光先后分别在参考镜R 和被测镜T 反射，设干涉腔长为ΔL，反射光中分为4 种光，分别是R 反射的p 光Rp、R 反射的s光Rs、T 反射的p 光Tp、T 反射的s 光Ts，在偏振片光轴方向投影后可以干涉的组合是：RpRs、RpTp、RpTs、RsTp、RsTs、TpTs，分析他们之间的光程差：组合：RpRs RpTp RpTs RsTp RsTs TpTs程差：2ΔL 2ΔL 4ΔL 0 2ΔL 2ΔL所采用的半导体激光器工作在阈值电流以下，相干长度约为800 μm，远小于2 ΔL，可见只有Rs 和Tp 的光程差满足相干条件。而Rp 和Ts 非相干叠加作为背景。小孔光阑前检偏器的透光轴与P 光成45°角。巴比列-索列尔补偿器光轴和s 光平行，设待测镜的面行误差为δz，补偿器引入的相位为β，则光强表达式可以表示为：